AV
Alberto Vazquez
Author with expertise in Neural Interface Technology
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
13
(69% Open Access)
Cited by:
513
h-index:
33
/
i10-index:
53
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

A Materials Roadmap to Functional Neural Interface Design

Steven Wellman et al.Jul 19, 2017
Abstract Advancements in neurotechnologies for electrophysiology, neurochemical sensing, neuromodulation, and optogenetics are revolutionizing scientific understanding of the brain while enabling treatments and preventative measures for a variety of neurological disorders. The grand challenge in neural interface engineering is to seamlessly integrate the interface between neurobiology and engineered technology to record from and modulate neurons over chronic timescales. However, the biological inflammatory response to implants, neural degeneration, and long‐term material stability diminishes the quality of the interface overtime. Recent advances in functional materials are aimed at engineering solutions for chronic neural interfaces, yet, the development and deployment of neural interfaces designed from novel materials have introduced new challenges that have been largely unaddressed. Many engineering efforts that solely focus on optimizing individual probe design parameters, such as softness or flexibility, downplay critical multidimensional interactions between different physical properties of the device that contribute to overall performance and biocompatibility. Moreover, the use of these new materials present substantial new difficulties that must be addressed before regulatory approval for use in human patients is achievable. In this review, the interdependence of different electrode components is highlighted to demonstrate the current material‐based challenges facing the field of neural interface engineering.
5

Integration of microprism and microelectrode arrays enables simultaneous electrophysiology and two-photon imaging across all cortical layers

Qianru Yang et al.Jul 10, 2022
Abstract Electrophysiology is a vital tool in neuroscience research with increasing translational value. It is used to record or modulate neuronal activity with high temporal but lower spatial resolution. Optical technologies, such as two-photon microscopy (TPM) can complement electrophysiological recordings with large-scale imaging at cellular resolution. Combining these two provides a powerful platform to elucidate and coordinate multimodal functions. Prior attempts have been limited to the superficial brain from a top-down optical view. Here, we describe a novel combination of transparent microelectrode arrays (MEAs) with glass microprisms for simultaneous electrophysiology and optical imaging of all cortical layers in a vertical plane. We tested our device in Thy1-GCaMP6 mice for over 4 months and demonstrated its capability for multisite single-unit recording, microstimulation, and simultaneous TPM calcium imaging. Using this setup, we reveal how amplitude, frequency, and depth of microstimulation impact neural activation patterns across the cortical column. This work presents a multimodal tool that extends integrated electrophysiology and optical imaging from the superficial brain to the whole cortical column, opening new avenues of neuroscience research and neurotechnology development.
0

Potential of Photoelectric Stimulation with Ultrasmall Carbon Electrode on Neural Tissue: New Directions in Neuromodulation Technology Development

Keying Chen et al.Feb 21, 2024
Abstract Objective Neuromodulation technologies have gained considerable attention for its clinical potential in treating neurological disorders and their capacity to advance cognition research. Nevertheless, traditional neuromodulation methods such as electrical stimulation and optogenetics manipulation currently experience technical and biological challenges that hinge their therapeutic potential and chronic research applications. Recently, a promising alternative neuromodulation approach based on the photoelectric effect has emerged. This approach is capable of generating electrical pulses when exposed to near-infrared (NIR) light and allows modulation of neuronal activity without the need for genetic alterations. In this study, we investigate a variety of design strategies aimed at enhancing photoelectric stimulation using minimally invasive, ultrasmall, untethered carbon electrodes. Approach A multiphoton laser was employed as the NIR light source. Benchtop investigations were conducted using a three-electrode setup, and chronopotentiometry was used to record photo-stimulated voltage. For in vivo evaluation, we used Thy1-GCaMP6s mice with acute implantation of ultrasmall carbon electrodes. Main results We revealed the beneficial effects of high duty-cycle laser scanning and photovoltaic polymer interfaces on the photo-stimulated voltages of ultrasmall carbon electrodes. Additionally, we demonstrated the promising potential of carbon-based diamond electrodes for photoelectric stimulation and examined the application of photoelectric stimulation in precise chemical delivery by loading mesoporous silica nanoparticles (SNPs) co-deposited with polyethylenedioxythiophene (PEDOT). Significance These findings on photoelectric stimulation utilizing ultrasmall carbon electrodes underscore its immense potential for advancing the next generation of neuromodulation technology. This approach offers the opportunity to effectively modulate neural tissue while minimizing invasive implantation-related injuries in freely moving subjects, which hold significant promise for a wide range of applications in neuroscience research and clinical settings.
0

Activation and depression of neural and hemodynamic responses induced by the intracortical microstimulation and visual stimulation in the mouse visual cortex.

Naofumi Suematsu et al.Jan 1, 2024
Abstract Objective . Intracortical microstimulation can be an effective method for restoring sensory perception in contemporary brain-machine interfaces. However, the mechanisms underlying better control of neuronal responses remain poorly understood, as well as the relationship between neuronal activity and other concomitant phenomena occurring around the stimulation site. Approach . Different microstimulation frequencies were investigated in vivo on Thy1-GCaMP6s mice using widefield and two-photon imaging to evaluate the evoked excitatory neural responses across multiple spatial scales as well as the induced hemodynamic responses. Specifically, we quantified stimulation-induced neuronal activation and depression in the mouse visual cortex and measured hemodynamic oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin signals using mesoscopic-scale widefield imaging. Main results . Our calcium imaging findings revealed a preference for lower-frequency stimulation in driving stronger neuronal activation. A depressive response following the neural activation preferred a slightly higher frequency stimulation compared to the activation. Hemodynamic signals exhibited a comparable spatial spread to neural calcium signals. Oxyhemoglobin concentration around the stimulation site remained elevated during the post-activation (depression) period. Somatic and neuropil calcium responses measured by two-photon microscopy showed similar dependence on stimulation parameters, although the magnitudes measured in soma was greater than in neuropil. Furthermore, higher-frequency stimulation induced a more pronounced activation in soma compared to neuropil, while depression was predominantly induced in soma irrespective of stimulation frequencies. Significance . These results suggest that the mechanism underlying depression differs from activation, requiring ample oxygen supply, and affecting neurons. Our findings provide a novel understanding of evoked excitatory neuronal activity induced by intracortical microstimulation and offer insights into neuro-devices that utilize both activation and depression phenomena to achieve desired neural responses.
0

Calcium activation of cortical neurons by continuous electrical stimulation: Frequency-dependence, temporal fidelity and activation density

Nicholas Michelson et al.Jun 7, 2018
Electrical stimulation of the brain has become a mainstay of fundamental neuroscience research and an increasingly prevalent clinical therapy. Despite decades of use in basic neuroscience research over acute time scales, and the growing prevalence of neuromodulation therapies, gaps in knowledge regarding activation or inactivation of neural elements over time in the vicinity of the electrode limit the ability to adequately interpret evoked downstream responses or fine-tune stimulation parameters to focus on the desired response. In this work, in vivo two-photon microscopy was used to image Thy1-GCaMP activity in Layer 2/3 neurons of S1 cortex during 30 s of continuous electrical stimulation at varying frequencies. We show that during continuous stimulation, stimulation frequency influences a distinct spatial and temporal pattern of somatic activation. Our results elucidate conflicting results from prior studies reporting either dense spherical activation of somas biased towards somas near the electrode, or sparse activation of somas at a distance via axons near the electrode. These findings indicate that the neural element specific temporal response local to the stimulating electrode as a function of changes in charge density applied, frequency and temporal patterning need to be considered to properly interpret downstream circuit responses for basic science understanding, or determining mechanisms of action for clinical therapeutic applications.
0

Viral-mediated optogenetic stimulation of peripheral motor nerves in non-human primates

Jordan Williams et al.Feb 8, 2018
Objective: Reanimation of muscles paralyzed by disease states such as spinal cord injury remains a much sought after therapeutic goal of neuroprosthetic research. Optogenetic stimulation of peripheral motor nerves expressing light-sensitive opsins is a promising approach to muscle reanimation that may overcome several drawbacks of traditional methods such as functional electrical stimulation (FES). However, the utility of these methods has only been demonstrated in rodents to date, while translation to clinical practice will likely first require demonstration and refinement of these gene therapy techniques in non-human primates. Approach: Three rhesus macaques were injected intramuscularly with either one or both of two optogenetic constructs (AAV6-hSyn-ChR2-eYFP and/or AAV6-hSyn-Chronos-eYFP) to transduce opsin expression in the corresponding nerves. Neuromuscular junctions were targeted for virus delivery using an electrical stimulating injection technique. Functional opsin expression was periodically evaluated up to 13 weeks post-injection by optically stimulating targeted nerves with a 472 nm fiber-coupled laser while recording electromyographic (EMG) responses. Main Results: One monkey demonstrated functional expression of ChR2 at 8 weeks post-injection in each of two injected muscles, while the second monkey briefly exhibited contractions coupled to optical stimulation in a muscle injected with the Chronos construct at 10 weeks. A third monkey injected only in one muscle with the ChR2 construct showed strong optically coupled contractions at 5 1/2 weeks which then disappeared by 9 weeks. EMG responses to optical stimulation of ChR2-transduced nerves demonstrated graded recruitment relative to both stimulus pulse-width and light intensity, and were able to track stimulus trains up to 16 Hz. In addition, the EMG response to prolonged stimulation showed delayed fatigue over several minutes. Significance: These results demonstrate the feasibility of viral transduction of peripheral motor nerves for functional optical stimulation of motor activity in non-human primates, a variable timeline of opsin expression in a primate model closer to humans, and fundamental EMG response characteristics to optical nerve stimulation. Subsequently, they represent an important step in translating these optogenetic techniques as a clinically viable gene therapy.
Load More